Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных средств

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет 
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

М. П. Трухин

ОСНОВЫ 
КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
И МОДЕЛИРОВАНИЯ 
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Лабораторный практикум

Рекомендовано методическим советом УрФУ 
для студентов, обучающихся по программам бакалавриата 
по направлению подготовки «Радиотехника»

2-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

УДК 004.9:621.37/.38(076.5)
ББК 32.97я73-5+32.844-2я73-5
          Т80

Рецензенты:
кафедра общепрофессиональных дисциплин технических специальностей, Уральский технический институт связи и информатики ФГБОУ 
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (завкафедрой проф., д-р техн. наук Б. А. Панченко);
проф., д-р физ.-мат. наук А. Д. Ивлиев (Российский государственный 
профессионально-педагогический университет)

Научный редактор — проф., д-р техн. наук В. Э. Иванов

Трухин, М. П.
Т80      Основы компьютерного проектирования и моделирования 
радиоэлектронных средств 
[Электронный ресурс] : лабораторный 
практикум / М. П. Трухин. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал.
ун-та, 2017. —  136 с.

ISBN 978-5-9765-3258-8 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1556-7 (Изд-во Урал. ун-та)

Лабораторный практикум содержит основные теоретические сведения по

тематике 8 лабораторных работ и общие требования по их выполнению. Темы 
работ связаны с разработкой и использованием моделей типовых 
радиотехнических средств. Программными инструментами являются пакет 
схемотехнического 
моделирования 
Micro-Cap, 
система 
сквозного 
проектирования OrCAD и универсальная система моделирования MATLAB и ее 
пакет Simulink. Практикум содержит также указания к подготовке и выполнению 
лабораторных работ, требования к составлению отчетов и контрольные вопросы.
Практикум предназначен для бакалавров и специалистов направления 
«Радиотехника», а также для студентов и аспирантов, изучающих вопросы 
автоматизированного моделирования и разработки электронных средств.

Библиогр.: 11 назв. Рис. 68. Табл. 3. Прил. 2.

Подготовлено кафедрой теоретических основ радиотехники

УДК 004.9:621.37/.38(076.5)
ББК 32.97я73-5+32.844-2я73-5

ISBN 978-5-9765-3258-8 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1556-7 (Изд-во Урал. ун-та)

© Уральский федеральный 
     университет, 2015

Оглавление

Введение ........................................................................................................5

Лабораторная работа № 1.
Формирование математических моделей электронных схем ........................8
1.1. Основные процедуры формирования ММС .........................................8
1.2. Домашнее задание ..................................................................................9
1.3. Лабораторное задание .......................................................................... 11
1.4. Содержание отчета ............................................................................... 13
Контрольные вопросы ................................................................................ 14

Лабораторная работа № 2.
Анализ электронных схем в статическом режиме ...................................... 15
2.1. Домашнее задание ................................................................................ 16
2.2. Лабораторное задание .......................................................................... 18
2.3. Содержание отчета ............................................................................... 20
Контрольные вопросы ................................................................................ 21

Лабораторная работа № 3.
Анализ электронных схем в динамическом режиме ................................... 22
3.1. Домашнее задание ................................................................................ 23
3.2. Лабораторное задание .......................................................................... 26
3.3. Содержание отчета ............................................................................... 30
Контрольные вопросы ................................................................................ 30

Лабораторная работа № 4.
Анализ линейных электронных схем в частотной области ......................... 32
4.1. Основные процедуры анализа ............................................................. 32
4.2. Домашнее задание ................................................................................ 33
4.3. Лабораторное задание .......................................................................... 37
4.4. Содержание отчета ............................................................................... 39
Контрольные вопросы ................................................................................ 39

Лабораторная работа № 5.
Анализ чувствительности электронных схем ............................................ 41
5.1. Основные процедуры анализа ............................................................. 41
5.2. Домашнее задание ................................................................................ 45
5.3. Лабораторное задание .......................................................................... 47
5.4. Содержание отчета ............................................................................... 49
Контрольные вопросы ................................................................................ 50

Лабораторная работа № 6.
Статистический анализ электронных схем ............................................... 52
6.1. Основные процедуры анализа ............................................................. 52
6.2. Домашнее задание ................................................................................ 56
6.3. Лабораторное задание .......................................................................... 58
6.4. Содержание отчета ............................................................................... 59
Контрольные вопросы ................................................................................ 59

Лабораторная работа № 7.
Создание нового библиотечного элемента ................................................ 62
7.1. Создание условного графического изображения................................ 62
7.2. Домашнее задание ................................................................................ 69
7.3. Лабораторное задание .......................................................................... 69
7.4. Содержание отчета ............................................................................... 69
Контрольные вопросы ................................................................................ 70

Лабораторная работа № 8.
Разработка принципиальной схемы РЭС ................................................. 72
8.1. Создание принципиальной схемы проекта ......................................... 72

8.1.1. Структура принципиальной схемы проекта ............................. 73
8.1.2. Размещение символов компонентов 
           и электрических цепей ............................................................... 74
8.1.3. Иерархические блоки ................................................................. 84
8.1.4. Использование макросов ........................................................... 85
8.1.5. Проверка правильности ввода схемы ........................................ 87
8.1.6. Создание списка соединений .................................................... 89

8.2. Домашнее задание ................................................................................ 90
8.3. Лабораторное задание .......................................................................... 91
8.4. Содержание отчета ............................................................................... 91
Контрольные вопросы ................................................................................ 92

Лабораторная работа № 9.
Создание корпуса нового элемента .......................................................... 94
9.1. Создание корпуса элемента ................................................................. 94
9.2. Домашнее задание .............................................................................. 103
9.3. Лабораторное задание ........................................................................ 104
9.4. Содержание отчета ............................................................................. 104
Контрольные вопросы .............................................................................. 105

Лабораторная работа № 10.
Разработка конструкции печатной платы ............................................... 106
10.1. Создание конструкции проекта ....................................................... 106
10.1.1. Настройка конфигурации проекта ....................................... 107
10.1.2. Выбор заготовки печатной платы ......................................... 109
10.1.3. Загрузка списка цепей и упаковка проекта .......................... 110
10.1.4. Размещение компонентов на печатной плате ...................... 113
10.1.5. Автоматическая трассировка проводников .......................... 115
10.1.6. Изготовление конструкторской документации ................... 117
10.2. Домашнее задание ............................................................................ 118
10.3. Лабораторное задание ...................................................................... 118
10.4. Содержание отчета ........................................................................... 119
Контрольные вопросы .............................................................................. 119

Библиографический список ..................................................................... 121

Приложение 1. Словарь основных терминов .......................................... 122
Приложение 2. Стандартные расширения имен файлов ........................ 131

Введение

Ц

елью лабораторного практикума является закрепление знаний студентов в области методов формирования и решения 
математических моделей электронных схем, основных приемов конструкторского проектирования, привитие практических навыков применения этих знаний к разработке и анализу конкретных схем.
Автоматизация проектирования радиоэлектронных схем для системотехников означает прежде всего определение с помощью ЭВМ 
наиболее важных — системных — характеристик схемы и ознакомление с численными методами их нахождения. При анализе статического 
режима такой системной характеристикой является вектор аргументов 
нелинейностей N, знание которого позволяет вычислить другие электрические параметры схемы. Сам вектор нелинейностей S = f (N) вычисляется итерационным способом при решении системы нелинейных 
уравнений. Динамика состояния электронной схемы характеризуется 
в основном изменением запасов электрической энергии конденсаторов и магнитной энергии катушек индуктивности, отображаемых вектором состояния V. Математическая модель электронной схемы в этом 
случае есть система дифференциальных уравнений dV/dt = F (V, S, t), 
которая решается неявными методами численного интегрирования.
Поэтому в цикле лабораторных работ по курсу «Основы компьютерного проектирования и моделирования РЭС» используется метод переменных состояния, позволяющий с системных позиций подходить к анализу конкретных схем. Дополнительное ознакомление 
с широко известным пакетом Micro-Cap дает студенту возможность 
сравнить результаты анализа, сопоставить достоинства и недостатки 
метода переменных состояния и модифицированного метода узловых 
напряжений, реализованного в Micro-Cap при формировании математической модели схемы.
Основная задача первой части лабораторного цикла состоит в приобретении студентами навыков работы с вычислительными методами 

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

в схемотехническом моделировании. Каждая работа посвящена исследованию применения того или другого численного метода в анализе 
электронных схем. В лабораторной работе № 1 показано использование 
элементарных матричных операций для диагонализации прямоугольных топологических матриц и эквивалентное выделение дерева графа 
схемы. Лабораторная работа № 2 посвящена ознакомлению с итерационными методами решения нелинейных алгебраических уравнений 
(метод простой итерации и метод Ньютона-Рафсона). В лабораторной работе № 3 подробно исследуются методы численного интегрирования систем нелинейных алгебро-дифференциальных уравнений 
(явные и неявные методы Эйлера, Рунге-Кутты, линейные многошаговые методы). В лабораторной работе № 4 изучаются рекуррентный 
метод Фаддеева-Леверье (вычисление коэффициентов полиномов) 
и численные методы поиска всех корней полиномов.
Две работы затрагивают вопросы многовариантного анализа электронных схем. В лабораторной работе № 5 студенты знакомятся с алгоритмами определения коэффициентов и функций чувствительности 
по заданным аналитическим выражениям, а в лабораторной работе № 6 — 
с применением метода статистического моделирования (Монте-Карло) 
для определения вероятностных характеристик выходных параметров.
Во второй части практикума (лабораторные работы с седьмой 
по десятую) студенты осваивают методику разработки конструкции 
печатной платы с помощью системы OrCAD. Тем самым решается 
вторая задача лабораторного цикла — сравнительное ознакомление 
студентов с набором программных инструментов — пакетов и систем 
анализа и проектирования электронных схем. Довольно большое число таких инструментов — Micro-Cap, MultiSim, DesignLab, OrCAD 
и др. — создает впечатление разнообразия используемых в них методов 
формирования и решения математических моделей. Студенты должны убедиться в том, что эти популярные программы моделирования 
электронных схем имеют почти одинаковую вычислительную основу, различаясь лишь интерфейсом — предоставляемыми разработчику 
средствами ввода информации об электронной схеме и вывода полученных результатов. Овладение этим интерфейсом есть необходимое 
условие использования компьютерной системы моделирования. Однако грамотное проведение анализа невозможно без понимания того, 
как система формирует математическую модель и решает ее при заданных требованиях к точности и достоверности.

Введение

Наконец, третья задача состоит в том, чтобы показать студентам, 
что системы моделирования электронных схем без хороших моделей 
компонентов (схем замещения) малозначимы в практике компьютерного моделирования и проектирования РЭС. Поэтому ознакомление 
с приемами формирования достоверных моделей радиокомпонентов — 
одна из главных целей как всего учебного курса в целом, так и его лабораторного цикла.
При разработке учебных программ пакета АНАЛИЗ был использован метод переменных состояния [1, 2], который позволяет студентам наглядно представить взаимодействие электрических 
и топологических параметров электронной схемы и его отражение 
на математической модели схемы. Очень важную роль при этом играют адекватные модели электронных компонентов, особенно транзисторов и диодов, методы формирования которых подробно описаны в [3, 4, 5]. Весь комплекс вопросов, связанных с автоматизацией 
проектирования электронных схем, рассмотрен в [6]. Студентам перед выполнением лабораторного цикла рекомендуется ознакомиться с учебными пособиями [1, 6].
Процедуры конструкторского проектирования электронных 
средств, с которыми студент знакомится в лабораторных работах 
с седьмой по десятую, весьма подробно описаны в многочисленной 
литературе [7–11]. В указаных литературных источниках, не являющихся учебными пособиями, представлены по-существу переводы 
с руководств для пользователей программных систем, в данном случае OrCAD. Детальное изучение всех функциональных возможностей 
системы OrCAD в отведенное учебное время невозможно, поэтому 
в лабораторном практикуме к упомянутым работам представлены основные приемы использования этой мощной программной системы.

Лабораторная работа № 1.  
Формирование математических моделей 
электронных схем

Л

абораторная работа № 1 по курсу «Основы компьютерного 
проектирования и моделирования РЭС» знакомит студентов 
с методами формирования математических моделей электронных схем (ММС). Работа состоит из четырех разделов: домашнего 
задания, коллоквиума, расчетно-экспериментальной части и оформления полученных результатов в виде отчета.

1.1. Основные процедуры формирования ММС

В качестве моделей РЭС выбраны системы уравнений электрического баланса электронной схемы в методе переменных состояния 
и расширенном методе узловых потенциалов. 

Рис. 1.1. Схема связей между программами при формировании входной 
информации об электронной схеме и создании математических моделей

Лабораторная работа № 1. Формирование математических моделейэлектронных схем  

Матричные уравнения метода переменных состояния определяются с помощью программ СХЕМА (или ГРАФ) и СИСТЕМА пакета 
АНАЛИЗ (рис. 1.1). Для формирования ММС расширенного метода 
узловых потенциалов используется программный модуль Micro-Cap, 
выходной информацией которого является текстовый файл со списочной моделью схемы.

1.2. Домашнее задание

1. Получить от преподавателя принципиальную электрическую 
схему для проведения ее анализа. В схеме должно быть не менее двух 
транзисторов и одного-двух диодов.

2. Составить списочную модель по заданной принципиальной схеме. Нумерацию узлов проводить сквозную от 0 до (y — 1), где y — полное число узлов схемы. Базовый узел обозначить нулем. Каждому компоненту схемы соответствует одна строка списка. В строке должно 
быть четыре объекта для двухполюсника:

Обозначение элемента  
Нач. узел  
Кон. узел  
Параметр (модель)
E1  
 
 
0 
 
4 
 
12.0

и пять для трехполюсника (биполярный транзистор):

Обозначение элемента  
Коллектор 
 База   Эмиттер    Имя модели
Q1  
 
 
3 
 
 4 
5 
     KT315

Параметры компонентов представляются в радиотехническом масштабе: вольт, миллиампер, килоом, микрофарада, генри, миллисекунда.

3. Получить две эквивалентные схемы и составить их списочные 
модели: одну модель для статического режима, другую модель для динамического режима.
Зависимые источники токов, моделирующие p‑n-переходы диодов 
и транзисторов следует обозначать Jp<n>, где n — порядковый номер 
перехода. При этом номер эмиттерного перехода должен иметь номер, на единицу меньший номера коллекторного перехода этого транзистора, например, Jp1 и Jp2. Базовое сопротивление следует обозначить Rb<k>, где k — порядковый номер транзистора.

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

4. Знать связь между типом математической модели схемы и характером работы электронной схемы: статическим, динамическим, линейным. Изучить порядок работы с программами СХЕМА и СИСТЕМА. Иметь представление о структуре каждой программы, ее входных 
и выходных параметрах.

ПРИМЕР 1.1. Формирование списочной модели эквивалентной схемы 
двухкаскадного усилителя USILDN в динамическом режиме (рис. 1.2).

                                           а                                                                            б
Рис. 1.2. Принципиальная электрическая схема USILDN — а 
и ее эквивалентная схема в динамическом режиме — б

После замены транзисторов их упрощенными схемами замещения 
по Эберсу-Моллу и нумерации узлов получена эквивалентная схема 
(рис. 1.2, б).

*ГАБАРИТНЫЕ ЧИСЛА ЭЛЕКТРОННОЙ СХЕМЫ USILDN
*B   Y 
 
; Полное число ветвей и узлов схемы
19  12
*СПИСОЧНАЯ МОДЕЛЬ СХЕМЫ
E1   0  1   0 
; Источник переменного воздействия E1
C1   1  2   0.1 
; Конденсатор C1, ёмкость 0.1 мкФ
R1   2  5   150 
; Резистор R1, сопротивление 150 кОм
R2   0  2   15 
; Резистор R2, сопротивление 15 кОм
Rb1  2  3   0.3 
; Сопротивление в цепи базы транзистора VT1, 300 Ом
Jp1 11  3   0 
; Эмиттерный переход транзистора VT1
Jp2  4  3   0 
; Коллекторный переход транзистора VT1
R3   5  4   12.5 ; Резистор R3, сопротивление 12.5 кОм
R5   0  11   1.05 ; Резистор R5, сопротивление 1.05 кОм
Rb2  4  6   0.3 
; Сопротивление в цепи базы транзистора VT2, 300 Ом
R7   5  8   10.5 ; Резистор R7, сопротивление 10.5 кОм
L1   8  7   0.05 ; Катушка L1, индуктивность 0.05 Гн

Лабораторная работа № 1. Формирование математических моделейэлектронных схем  

Jp3  9  6   0 
 
; Эмиттерный переход транзистора VT2
Jp4  7  6   0 
 
; Коллекторный переход транзистора VT2
R8   0  9   1.03  
; Резистор R8, сопротивление 1.03 кОм
C2   7  10   0.5  
; Конденсатор C2, ёмкость 0.5 мкФ
R9   0  10   2 
 
; Резистор R9, сопротивление 2 кОм
E2   5  0   12 
 
; Источник питания схемы E2, 12 В
C3   0  9   10 
 
; Конденсатор C3, ёмкость 10 мкФ

5. Ознакомиться с методикой использования программы MicroCap. Изучить правила записи входного файла для программы MicroCap, выбрать параметры моделей полупроводниковых приборов, 
имеющихся в схеме. Составить текст входного файла для программы 
Micro-Cap.

6. Ответить на контрольные вопросы.

1.3. Лабораторное задание

1. Запускается программа СХЕМА и вводится построчно списочная модель по принципиальной схеме. Ввод первого символа строки, который задает тип элемента, рекомендуется выполнять на верхнем регистре. Название файла с расширением LST, хранящего список 
компонентов электронной схемы, должно состоять из шести — восьми латинских символов, которые определяют собственно имя схемы.

2. Выбирается режим формирования модели по постоянному току. 
С экрана дисплея ПЭВМ записывается (или копируется) структурная 
матрица схемы A. Наблюдается преобразование структурной матрицы 
схемы в матрицу A
Пх
®[ ,
]
1
. Контролируется формирование габаритных чисел и параметрических векторов и матриц модели электронной 
схемы. При отсутствии ошибок результат записывается в файл с расширением STP. Имя этого файла соответствует имени файла, хранящего списочную модель схемы.

ПРИМЕР 1.2. Иллюстрация использования всех команд Micro-Cap 
при анализе дифференциального усилителя (см. рис. 1.3).

* Д И Ф Ф Е Р Е Н Ц И А Л Ь Н Ы Й  У С И Л И Т Е Л Ь
*ЭТА СХЕМА ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ ПОКАЗА ПРИМЕРОВ ЗАПИСИ
* МАКСИМАЛЬНОГО КОЛИЧЕСТВА КОМАНД, КОТОРЫЕ МОЖНО ПРИМЕНИТЬ К 
*ЭТОЙ НЕБОЛЬШОЙ ЦЕПИ. ТОЛЬКО НЕБОЛЬШОЕ ЧИСЛО ОБЪЕКТОВ ВЫВОДА 

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

*(ОСОБЕННО ДЛЯ АНАЛИЗА ДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА) РЕАЛЬНО МОЖЕТ 
* БЫТЬ ИСПОЛЬЗОВАНО ПРИ  АНАЛИЗЕ ТАКОЙ НЕБОЛЬШОЙ СХЕМЫ
*********************   ОПИСАНИЕ СХЕМЫ   *****************************
VIN 100 0  AC 1  SIN(0 0.1 5MEG)
VCC  101  0  DC   12
VEE  102  0  DC  -12
Q1   4  2  6  QNL
Q2   5  3  6  QNL
RS1  100  2  1k
RS2  3    0  1k
RC1  4  101   TR  10k
RC2  5  101   TR  10k
Q3   6  7  102  QNL
Q4   7  7  102  QNL
RBIAS  7  101  20k
CLOAD  4  5  5pF
.MODEL TR RES(R=1 TC1=.02 TC2=.0045)
.MODEL  QNL  NPN (BF=80 RB=100 
+CCS=2PF TF=0.3NS TR=6NS CJE=3PF 
+CJC=2PF VA=50)
*********************   ЗАДАНИЯ НА АНАЛИЗ   **************************
.OPT  ACCT  LIST  NODE  OPTS  NOPAGE  RELTOL =.001 
*Управление  глобальными параметрами программы
.WIDTH  OUT=80
.TEMP  35  
 
 
 
;Температура 35 С°
.TF   V(5)   VIN  
 
 
;Передаточная функция V(5)/VIN
.DC   VIN   -0.25   0.25   0.005  
;Цикл анализа по постоянному току
.AC   DEC   10   1   10GHz 
 
;Расчёт частотных характеристик
.TRAN/OP   5ns   500ns 
 
 
;Анализ динамического режима
.SENS   V(5) 
 
 
 
;Анализ чувствительности
.NOISE   V(5)   VIN 20 
 
 
;Расчёт шумовых характеристик
.FOUR   5MEG   V(5) 
 
;Расчёт гармоник частоты 5 МГц в V(5)
.PRINT   DC   V(4)   V(5)  
;Печать результатов расчёта в статике
.PLOT   DC   IC(Q2) 
 
;Вывод на плоттер результатов в статике
.PRINT   AC   VM(5)   VP(5) 
 
;Печать частотных характеристик
.PLOT   AC   VCM(Q2)   VCP(Q2) 
 
;Вывод на плоттер АЧХ и ФЧХ
.PRINT   NOISE   ONOISE   INOISE  
;Вывод в OUT-файл шумовых расчётов
.PRINT   TRAN   V(4) V(5)  
;Вывод в OUT-файл расчётов в динамике
.PLOT   TRAN   V(4)   V(5)   I(CLOAD) 
;Вывод на плоттер  в динамике
.END 
 
 
 
;Обязательный признак конца записи 

3. Выполняется пункт 2 лабораторного задания для моделирования электронной схемы в динамическом режиме. Расширение файла с результатами работы программы СХЕМА в этом случае есть DTP.

 Рис. 1.3. Принципиальная электрическая схема дифференциального усилителя